از تکنیک های مختلفی برای جستجوی یک کانسار معدنی استفاده می شود ، فعالیتی که آن را معدن کاوی می نامند. پس از کشف ، مناطق حاوی کانسار ، که به آن معدن کاوی (prospect) می گویند ، مورد بررسی قرار می گیرد تا برخی از ویژگی های مهم تر کانسار را تعیین کنند.
از جمله آن ها می توان به اندازه ، شکل ، جهت گیری در فضا و موقعیت آن نسبت به سطح و همچنین کیفیت و توزیع کیفی مواد معدنی و مقادیر این کیفیت های مختلف اشاره کرد.
Prospecting
معدن کاوی
در جستجوی مواد معدنی ارزشمند(معدن کاوی) ، جستجوی سنتی در درجه اول به مشاهده مستقیم کانی سازی در برآمدگی ها ، رسوبات و خاک متکی بود. اگرچه مشاهده مستقیم هنوز به طور گسترده انجام می شود ، جستجوی مدرن همچنین ترکیبی از ابزارهای زمین شناسی ، ژئوفیزیکی و ژئوشیمیایی را برای ارائه نشانه های غیر مستقیم برای کاهش شعاع جستجو به کار می گیرد.
هدف از تکنیک های مدرن یافتن ناهنجاری ها است – یعنی تفاوت هایی بین آنچه در یک مکان خاص مشاهده می شود و آنچه معمولاً انتظار می رود. تصاویر هوایی و ماهواره ای یکی از ابزارهای بررسی سریع مناطق وسیع خشکی و شناسایی کانی سازی است که ممکن است با تفاوت در ساختار زمین شناسی یا در سنگ ، خاک و نوع پوشش گیاهی نشان داده شود.
در کاوش گرانش ژئوفیزیکی ، از روش های مغناطیسی ، الکتریکی ، لرزه ای و رادیومتری برای تشخیص خواص سنگ مانند: چگالی ، حساسیت مغناطیسی ، مغناطیس باقی مانده طبیعی ، هدایت الکتریکی ، نفوذپذیری دی الکتریک ، نفوذپذیری مغناطیسی ، سرعت موج لرزه ای و پوسیدگی رادیواکتیو استفاده می شود.
در کاوش ژئوشیمیایی ، جستجوی ناهنجاری ها بر اساس اندازه گیری سیستماتیک عناصر کمیاب یا خواص تحت تأثیر شیمیایی است.
نمونه هایی از خاک ها ، رسوبات دریاچه و آب ، رسوبات یخچالی ، سنگ ها ، پوشش گیاهی و گیاخاک ، بافت های جانوری ، میکروارگانیسم ها ، گازها و هوا و ذرات، جمع آوری و آزمایش می شوند تا غلظت های غیر معمول آن ها مشخص شود.
Exploration
اکتشاف (معدن)
در ادامه ی بحث معدن کاوی به سراغ اکتشاف معدن می رویم. بر اساس چنین مطالعاتی ، تعدادی از چشم اندازها مشخص می شود. امیدوارکننده ترین آن ها ، تمرکز یک برنامه اکتشاف میدانی می باشد. بسته به نوع کانسار و مجاورت آن با سطح ، از چندین تکنیک اکتشافی استفاده می شود.
هنگامی که قسمت بالای کانسار سطح را قطع می کند ، یا برآمدگی پیدا می کند ، ممکن است با استفاده از یک بولدوزر یا بیل مکانیکی ، مجرا های (گودال) کم عمقی حفاری شود. ترانشه زنی، داده های دقیقی از نزدیکی سطح و امکان جمع آوری نمونه هایی با حجم زیاد برای آزمایش را فراهم می کند. بدیهی است که این روش به عمق برش تجهیزات مربوطه محدود می شود.
گاهی اوقات رانش های خاصی به منظور کشف کانسار انجام می شود ، اما این یک کار بسیار گران و وقت گیر است. به طور کلی ، هدف از ایجاد چنین رانش هایی فراهم آوردن مکان های حفاری است که می توان حجم زیادی از آن ها را کاوش کرد وهمچنین می توان یک مدل سه بعدی از بدنه سنگ معدنی بالقوه به دست آورد. شفت ها و رانش های قدیمی اغلب روش ارزشمند و مناسبی را برای نمونه برداری از ذخایر موجود و کاوش در توسیع ها ارائه می دهند.
متداول ترین تکنیک اکتشافی، حفاری حفره های کاوشگر است. در این امر ، یک مته با سرمته ای به قطر نوک الماس به اندازه یک شکاف باریک از سنگ را برش می دهد و یک هسته استوانه ای از سنگ را در مرکز استخراج می کند (نمونه برداری از هسته را ببینید). این حفره های اصلی ممکن است صدها یا حتی هزاران متر طول داشته باشند.
رایج ترین قطر حدود 50 میلی متر (2 اینچ) است. هسته ها به ترتیبی که از سوراخ خارج شده اند در جعبه های مخصوص هسته قرار می گیرند. زمین شناسان سپس هسته را به دقت تشریح یا ثبت می کنند تا مکان، انواع سنگ و مواد معدنی موجود را تعیین کنند. ویژگی های ساختاری مختلف مانند: اتصالات ، گسل ها و صفحه های لایه بندی و استحکام مواد سنگی را مشخص می کنند. هسته ها اغلب به صورت طولی تقسیم می شوند و نیمی از آن ها به آزمایشگاه ارسال می شود تا درجه یا محتوای کانی سازی مشخص شود. معدن کاوی و اکتشاف امر پیچیده ای است.
Delineation
ترسیم
به طور معمول ، حفره های اصلی با یک الگوی کم و بیش منظم حفر می شوند و محل سوراخ ها روی نقشه ترسیم می شود. به منظور تجسم چگونگی کانسار در عمق ، حفره هایی نیز در امتداد مجموعه ای از صفحه های عمودی به نام بخش ترسیم می شوند.
زمین شناس سپس هر بخش را بررسی می کند و بر اساس اطلاعات جمع آوری شده از نقشه ها و گزارش های اصلی و همچنین اطلاعاتی که از ساختارهای موجود دارد ، مناطق بین حفره ها و بین صفحه ها را شرح می دهد.
این روش برای ساختن سنگ معدن در جایی که مرز بین سنگ معدن و ضایعات تیز است و همچنین در جایی که کانسار های متوسط تا کوچک با روش های زیرزمینی استخراج می شوند ، بسیار مورد استفاده قرار می گیرد ، اما برای کانسار های بزرگ استخراج شده با روش های روباز ، این روش عمدتاً با مدل های بلوکی جایگزین شده است.
کانسار های معدنی بسته به نحوه رسوب گذاری شکل های متفاوتی دارند. رایج ترین شکل به صورت تخته ای (لوحی) است و کانسار معدنی به عنوان یک پر کننده بین لایه های کم و بیش موازی سنگ قرار دارد.
موقعیت چنین سنگ معدنی را می توان با شیب آن (زاویه ای که در جهت افقی ایجاد می کند) و جهت آن (موقعیتی که نسبت به چهار نقطه قطب نما می گیرد) توصیف کرد. تخته سنگی که در بالای بدنه ی سنگ معدن قرار دارد ، فرا دیواره و تخته سنگی که در زیر بدنه ی سنگ معدن قرار دارد ، فرو دیواره نام دارد.
غلظت یک ماده ی معدنی ارزشمند در سنگ معدن اغلب به عنوان درجه (عیار) آن شناخته می شود. درجه ممکن است تغییرات قابل توجهی در طول رسوب نشان دهد. علاوه بر این ، درجه ی معینی وجود دارد که پایین تر از این درجه، استخراج یک ماده معدنی حتی اگر در سنگ معدن وجود داشته باشد ، سودآور نیست.
این را درجه قطع معدن می نامند و اگر مواد قبلاً استخراج شده باشد ، باز هم درجه معینی وجود دارد که پایین تز از این درجه، پردازش آن سودآور نیست و به این درجه قطع آسیاب می گویند.
درجه ای که هزینه های مربوط به استخراج از معادن و فرآوری مواد معدنی با درآمد آن برابر است ، درجه سر به سر(بی سود و بی زیان) نامیده می شود. مواد دارای درجه ای بالاتر از این، سنگ معدن تلقی می شود و هر چیزی کمتر از آن، ضایعات است و ارزشی ندارد.
بنابراین ، برای تعیین اینکه کدام قسمت از یک ماده معدنی را می توان ذخیره سنگ معدن در نظر گرفت ، لازم است هزینه های استخراج و قیمت قابل پیش بینی برای کالا برآورد شود.
هزینه های استخراج بستگی به نوع سیستم استخراج معادن ، میزان مکانیزاسیون ، عمر معدن و بسیاری عوامل دیگر دارد. این امر باعث می شود انتخاب بهترین سیستم برای یک کانی معین یک فرایند پیچیده باشد.
به عنوان مثال ، رسوبات برآمده از سطح ممکن است در ابتدا به صورت گودال های رو باز استخراج شوند ، اما در عمق مشخصی تصمیم به تغییر آن به معدن زیرزمینی گرفته شود.
حتی در آن صورت ، هزینه ی کلی هر تن سنگ معدن به کارخانه فرآوری به طور قابل توجهی بیشتر از گودال روباز خواهد بود. برای پرداخت هزینه های اضافی ، درجه ی سنگ معدن زیرزمینی باید به همان نسبت بالاتر باشد.
Surface mining
استخراج سطحی
تخمین زده می شود که بیش از دو سوم تولید سالانه مواد معدنی جهان با استخراج از معادن سطحی استخراج می شود.
انواع مختلفی از معادن سطحی وجود دارد ، اما سه مورد از رایج ترین آن ها استخراج روباز ، استخراج نواری و معدن کاری است. این ها هر کدام در هندسه معدن ایجاد شده ، تکنیک های مورد استفاده و مواد معدنی تولید شده با یکدیگر تفاوت دارند.
استخراج معادن روباز اغلب (اما نه همیشه) منجر به ایجاد یک حفره یا گودال بزرگ در فرآیند استخراج مواد معدنی می شود. همچنین می تواند باعث حذف قسمتی از بالای تپه شود. در استخراج نواری ، یک نوار باریک بلند به وسیله بیل کششی، بیل بزرگ یا نوع مشابه به بیل مکانیکی کشف می شود.
پس از حذف ماده معدنی ، یک نوار مجاور کشف می شود و مواد زائد پوشاننده آن در حفاری اولین نوار رسوب می کند. از آنجا که معدن کاری نواری عمدتاً برای ذخایر نازک و مسطح زغال سنگ اعمال می شود.
دو نوع معدن کاری وجود دارد. استخراج بلوک های سنگی تزئینی با رنگ های متمایز ، اندازه ، شکل و کیفیت خاص – عملیاتی که نیاز به روش های تولید ویژه و گران قیمت دارد.
علاوه بر این ، اصطلاح استخراج معادن (معدن کاری) برای بازیابی شن ،ماسه و سنگ خرد شده برای تولید پایه ی جاده ، سیمان ، بتن و ماکادم (سنگ فرش) استفاده شده است. با این حال ، از آنجا که شیوه های دنبال شده در این عملیات مشابه معادن روباز است ، بحث معدنکاری در اینجا محدود به حفاری سنگ های زینتی است.
Open-pit mining
معدن روباز
Pit geometry
هندسه گودال
کانی های استخراج شده به روش های روباز، عموماً به لایه های افقی به نام قشر معدنی تقسیم می شوند. ضخامت (یعنی ارتفاع) قشرهای معدنی به نوع کانسار ، ماده معدنی استخراج شده و تجهیزات مورد استفاده بستگی دارد. برای معادن بزرگ 12 تا 15 متر (حدود 40 تا 50 فوت) است. استخراج به طور کلی بر روی تعدادی از قشرهای معدنی در هر زمان انجام می شود.
سطح بالایی هر قشر معدنی معادل با سطح کار است و دسترسی به سطوح مختلف از طریق یک سیستم رمپ به دست می آید. عرض سطح شیب دار بستگی به تجهیزات مورد استفاده دارد ، اما عرض معمولی از 20 تا 40 متر (65 تا 130 فوت) است. استخراج معدن در سطح جدید ، با گسترش سطح شیب دار به سمت پایین آغاز می شود. این برش اولیه یا شیب شکن سپس به تدریج گسترده می شود و کف گودال جدید را تشکیل می دهد.
دیواره های یک گودال دارای شیب خاصی است که توسط قدرت توده سنگ و عوامل دیگر تعیین می شود. پایداری این دیوارها و حتی قشرهای معدنی جداگانه و گروه قشرها بسیار مهم است – به ویژه برای گودالی باعمق بیشتر. افزایش زاویه شیب گودال فقط به میزان چند درجه می تواند هزینه های خاک برداری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد یا درآمد را از طریق افزایش بازیابی سنگ معدن افزایش دهد ، اما همچنین می تواند منجر به خرابی شیب در مقیاس کوچک یا بزرگ شود.
ممکن است میلیون ها تن مواد در چنین فرو ریزش هایی دخیل باشد. به همین دلیل ، معادن دارای برنامه های پایداری شیب مداوم هستند که این برنامه ها شامل جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده های ساختاری ، اطلاعات هیدروژئولوژی و شیوه های عملیاتی (بخصوص انفجار) است ، به طوری که بهترین طرح ها و نقشه های شیبدار طراحی مشی شود. عجیب نیست که پنج یا چند زاویه مختلف شیب در یک گودال بزرگ وجود داشته باشند.
با عمق یافتن گودال ، سنگ های زائد بیشتر و بیشتر باید حذف شوند تا سنگ معدن کشف شود. سرانجام به نقطه ای می رسد که درآمد حاصل از سنگ معدن کمتر از هزینه های بازیابی آن است. بنابراین معدن متوقف می شود. نسبت مقدار سنگ زباله استخراجی به سنگ معدن حذف شده را نسبت باطله برداری کلی می گویند. نسبت سر به سر باطله برداری، تابع ارزش سنگ معدن و هزینه های مربوطه است.
Ore reserves
ذخایر سنگ معدن
اولین قدم در ارزیابی و طراحی معدن روباز تعیین ذخایر است. همانطور که در بالا توضیح داده شد ، اطلاعات مربوط به کانسار از طریق حفاری سوراخ های کاوشگر جمع آوری می شود. مکان حفره ها بر روی نقشه پلان ترسیم شده است و بخش هایی که از سوراخ ها گرفته شده اند ، تصور خوبی از وسعت عمودی بدنه سنگ معدن را نشان می دهد. از بین این بخش های عمودی ، مکان های آزمایشی قشرهای معدنی انتخاب می شوند.
با این حال ، از آنجا که قرار است کانسار در قشرهای افقی استخراج شود ، محاسبه ذخیره سنگ معدن در مقاطع افقی ، با ضخامت هر بخش برابر با ارتفاع یک قشر ، محاسبه ای مناسب و راحت است. این بخش های افقی در امتداد خطوط مختصات به مجموعه ای از بلوک ها تقسیم می شوند که ابعاد پلان (یعنی طول و عرض) هر بلوک عموماً یک تا سه برابر ارتفاع قشر معدنی است.
پس از تعیین درجه هر بلوک ، بلوک ها به صورت مدل بلوکی از بدنه سنگ معدن مونتاژ می شوند. (این مدل باید به طور قابل توجهی بزرگتر از ذخیره ی سنگ معدن واقعی باشد تا گودال احتمالی را که باید برای نمایان شدن بدنه ی سنگ معدن حفر شود ، را شامل شود).
سپس عوامل اقتصادی مانند هزینه ها و درآمدهای مورد انتظار ، که با درجه و مکان بلوک متفاوت است ، اعمال می شود. نتیجه، یک مدل بلوکی اقتصادی است. برخی از بلوک های موجود در مدل در نهایت داخل گودال قرار می گیرند ، اما برخی دیگر در خارج قرار می گیرند. از بین چندین تکنیک برای تعیین اینکه کدام یک از بلوک ها باید در گودال نهایی گنجانده شوند ، رایج ترین تکنیک مخروط شناور است.
در دو بعد حذف یک بلوک معدنی معین مستلزم حذف مجموعه ای از بلوک های پوشاننده نیز می باشد. همه ی این ها در یک مثلث وارونه قرار می گیرد که اضلاع آن متناظر با زاویه شیب است ، پایه ی آن روی سطح قرار دارد و راس آن در بلوک سنگ معدن مورد بررسی قرار دارد.
در یک مورد واقعی سه بعدی ، این مثلث یک مخروط است. ارزش اقتصادی بلوک سنگ در راس مخروط با هزینه ی کل حذف همه ی بلوک های موجود در مخروط مقایسه می شود. اگر ارزش خالص مثبت باشد ، مخروط استخراج می شود. این تکنیک برای همه بلوک های تشکیل دهنده ی مدل بلوکی اعمال می شود و در پایان این فرایند، یک طرح کلی گودال نهایی به دست می آید.
Unit operations
عملیات واحد
بزرگترین عملیات روباز می تواند تقریباً یک میلیون تن مواد (معدن و زباله) را در روز جابجا کند. در عملیات کوچکتر ، نرخ ممکن است فقط چند هزار تن در روز باشد. در اکثر این معادن چهار واحد عملیات وجود دارد: حفاری ، انفجار ، بارگیری و حمل.
در معادن بزرگ از مته های دوار برای سوراخکاری با قطرهای بین 150 تا 450 میلی متر (حدود 6 تا
18 اینچ) استفاده می شود. سرمته متشکل از سه تیغه مخروطی شکل حاوی لبه های برش فولادی یا کاربیدی تنگستن ، در زیر فشار سنگین به پایین سوراخ می چرخد و سنگ را با فشار و برش می شکند. یک کمپرسور هوا روی دستگاه حفاری هوا را به سمت مرکز رشته مته فشار می دهد تا برش ها برداشته شوند.
گودال های کوچک تر غالباً توسط دستگاه های ضربه ای پنوماتیک یا هیدرولیکی سوراخ می شوند. این دستگاه های حفاری ممکن است روی کامیون یا چرخ زنجیری نصب شوند. قطر حفره اغلب در محدوده 75 تا 120 میلی متر (حدود 3 تا 5 اینچ) است.
حفره ها در الگوهای خاصی حفر می شوند تا انفجار، انواع قطعات تکه شده مورد نیاز برای عملیات بارگیری ، حمل و خرد کردن بعدی را ایجاد کند. این الگوها با بار (کوتاه ترین فاصله بین سوراخ و سطح قشر معدنی نمایان) و فاصله بین سوراخ ها تعریف می شوند. به طور کلی ، بسته به نوع سنگ و مواد منفجره مورد استفاده، بار 25 تا 35 برابر قطر سوراخ انفجار است و فاصله گذاری با بار مساوی است.
تعدادی مواد منفجره مورد استفاده قرار می گیرد ، اما بیشتر آن ها بر اساس دوغاب نیترات آمونیوم و روغن مازوت (ANFO) است که با کامیون تانکر حمل و به حفره ها پمپ می شود. هنگامی که با ANFO پر می شوند ، یک سوراخ انفجاری به قطر 400 میلی متر (حدود 16 اینچ) و عمق 7.5 متر (حدود 25 فوت) می تواند حدود یک میلیارد اسب بخار قدرت تولید کند.
وظیفه کسانی که در حفاری و انفجار دخیل هستند این است که این نیرو را به کار تجزیه مفید تبدیل کنند. برای دستیابی به قطعات خرد شده مناسب ، یک سری از چاله های انفجار عموماً با ترتیب دقیق و کنترل شده منفجر می شوند.
هدف انفجار این است که سنگ را تکه تکه کرده و سپس آن را به یک توده تبدیل کنند تا بارگیری و حمل و نقل آن تسهیل شود. در گودال های بزرگ وسایل اصلی بارگیری بیل های برقی ، دیزلی الکتریکی یا هیدرولیکی هستند ، در حالی که کامیون های برقی یا مکانیکی برای حمل و نقل استفاده می شود. اندازه بیل ها عموماً با اندازه بازوی متحرک و اندازه مخزن مشخص می شود.
متداول ترین آن ها دارای ظرفیتی از 15 تا 50 متر مکعب (20 تا 65 یارد مکعب) هستند. این بدان معناست که 30 تا 100 تن را می توان در یک “لقمه” بیل حفر کرد. اندازه کامیون ها با بیل مطابقت دارد ، یک قاعده کلی رایج این است که کامیون باید در چهار تا شش دور چرخش بیل پر شود.
بنابراین ، برای یک بیل با ظرفیت 15 متر مکعب ، یک کامیون با ظرفیت 120 تا 180 تن (چهار تا شش دور چرخش) باید اختصاص داده شود. ظرفیت بزرگترین کامیون ها بیش از 350 تن (حدود 12 نوسان) است و مجهز به موتورهایی هستند که بیش از 3500 اسب بخار قدرت تولید می کنند. قطر تایر آن ها اغلب بیش از 3 متر (10 فوت) است. به دلیل تحرک بالا ، لودرهای چرخ با ظرفیت بسیار بالا (لودرهای پیش کاو) در معادن روباز نیز استفاده می شود.
با عمیق تر شدن گودال ها – عمیق ترین گودال های جهان از 800 متر (2600 فوت) فراتر می روند – روش های جایگزین حمل سنگ معدن شکسته و سنگ های زائد رایج تر شد. یکی از این ها نوار نقاله است ، اما به طور کلی در این روش قبل از حمل و نقل، مواد معمول باید حتماً خرد شوند. برای اکثر مواد حداکثر زاویه 18 درجه امکان پذیر است. برای انتقال مستقیم به اطراف دیواره های گودال ، تکنیک های مخصوص برای انتقال در حال توسعه و گسترش است.
پس از بارگیری ، سنگ های زائد به زباله های مخصوص منتقل می شوند ، در حالی که سنگ معدن به طور کلی برای تصفیه بیشتر به یک کارخانه فرآوری مواد معدنی منتقل می شود. (در برخی موارد سنگ معدن از کیفیت کافی برای حمل مستقیم بدون پردازش میانی برخوردار است).
در برخی از عملیات ها ، زباله های جداگانه ای برای درجه های مختلف مواد سنگ معدنی زیرین ایجاد می شود و این دفن ها ممکن است بعدا دوباره استخراج و در آسیاب پردازش شوند. برخی از تخلیه ها را می توان با راه حل های مختلف به منظور استخراج فلزات موجود (فرآیندی که به شستشوی توده ای یا شستشوی زباله معروف است) انجام داد.
